郭越 付永民

摘要：本文針對西門子可編程控制器在生產(chǎn)線升級改造過程中建立PLC之間的主-主通訊的難題，提出一種基于集成PN口的通訊解決方案。利用profinet總線實(shí)現(xiàn)s7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了整個生產(chǎn)線上的通信連接的經(jīng)濟(jì)解決方法。為控制裝置的升級改造提供了很好的依據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和借鑒性。并對S7-300 集成 PN 口的 S7 通信做了基本介紹，對其配置步驟以及編程方法作了完整的描述。

關(guān)鍵詞：s7通訊；連接資源；s7-300 PLC；集成 PN 口

1、技術(shù)現(xiàn)狀

在煙草生產(chǎn)企業(yè)中，基于profibus總線協(xié)議的西門子可編程控制器大范圍應(yīng)用。Profibus總線協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的第一層、第二層以及必要時還采用了第七層?？偩€傳輸采用RS485 串行總線。然而，profibus總線需要銅質(zhì)雙芯電纜，最高傳輸帶寬是12mbps，傳輸距離最長為100米，傳輸?shù)膶?shí)時性不能滿足復(fù)雜的控制要求。針對這一現(xiàn)狀，西門子公司推出了適應(yīng)能力更強(qiáng)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的profinet總線協(xié)議。它傳輸帶寬達(dá)到100mbps，兩個設(shè)備之間傳輸距離最長為100米，實(shí)時性遠(yuǎn)比profibus及時準(zhǔn)確，而且不需要總線終端電阻，極大減少了網(wǎng)絡(luò)故障現(xiàn)象。在支持的通訊協(xié)議類型中，profibus和profinet都支持S7通訊協(xié)議。但是在profinet協(xié)議中，S7通訊受到的限制更少，應(yīng)用更廣泛。

S7通訊協(xié)議是s7系列plc基于mpi、profibus、Ethernet網(wǎng)絡(luò)的一種優(yōu)化的通訊協(xié)議，在profibus總線中，主要用于s7-400/400、s7-300/400plc之間主-主通訊，也非常適合s7 plc與HMI通訊，例如與操作面板OP/TP以及與上位監(jiān)控軟件wincc的通信。

每個CPU都有資源限制，如過程映像區(qū)的大小、計數(shù)器/計時器的個數(shù)。同樣，通訊的資源也有限制，在產(chǎn)品樣本里有CPU的鏈接數(shù)量指標(biāo)，這就是CPU 的通信資源。舊版本的S7-300PLC中有動態(tài)連接和靜態(tài)連接之分，動態(tài)連接是指通過MPI,PLC與plc通過調(diào)用SFC通信的通信連接，調(diào)用SFC時建立連接，停止調(diào)用時連接仍然維持，通過調(diào)用斷開連接的SFC才能釋放連接資源；靜態(tài)連接指與HMI的通信連接，當(dāng)把OP/TP、WinCC連接到同一CPU時會發(fā)生有的OP/TP、WinCC連接不上，這是因?yàn)槭褂玫倪B接數(shù)已經(jīng)超過了CPU的連接資源限制，此外還有一個靜態(tài)連接資源保留給編程器用。

PLC與PLC之間的通信也占用這些資源，一個s7的連接要占用一個靜態(tài)連接，因?yàn)閟7-300PLC靜態(tài)連接資源較少，所以在profibus總線系統(tǒng)中s7-300系統(tǒng)建議不采用s7連接。同時s7-300系統(tǒng)之間也不能直接建立s7連接，可以通過最新版本CP342-5(V5.0以上)、CP343-1擴(kuò)展16個s7連接而只占用CPU一個連接資源。S7-300 PLC只能作為通信的Server，s7-300PLC可以通過CP與s7-300PLC（通過CP）建立雙邊s7通信，通過發(fā)送/接收功能塊相互訪問對方數(shù)據(jù)。

2、基于profinet總線協(xié)議的s7通信

隨著profinet技術(shù)的成熟和推廣，profinet IO系統(tǒng)和profinet CBA系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在新的生產(chǎn)線上，大量正常運(yùn)行的生產(chǎn)線改造在經(jīng)濟(jì)性考慮無法大規(guī)模把舊的控制器更換為新的控制器，把profibus總線全部更換為profinet總線也面臨極大的技術(shù)難題，針對這一現(xiàn)象，新門子公司推出了集成profinet端口的s7-300 PLC系統(tǒng)，上位采用profinet總線協(xié)議，下位采用profibus總線，為技術(shù)改造提供了極大的方便。

由于集成了profinet端口，s7-300 PLC具有更靈活的適應(yīng)性，在通訊資源方面，集成PN端口的s7-300 PLC最大擁有16個靜態(tài)連接資源，不需要再通過CP網(wǎng)卡進(jìn)行擴(kuò)展連接資源。而且兩個集成PN端口的s7-300 PLC之間不僅可以作為通信的Server端，還可以作為Client端。從而使兩個集成PN端口的s7-300 PLC之間可以直接建立s7連接。

在profibus總線協(xié)議中，兩個PLC之間建立s7通訊，為了滿足實(shí)時性的要求，需要在兩個PLC的DP端口進(jìn)行硬件上的總線直接連接，如果兩個PLC相距較遠(yuǎn)，受到profibus傳輸距離最長100米的限制，就需要RS485中繼器的支持，給應(yīng)用造成極大的不便。而在profinet總線協(xié)議中，相距較遠(yuǎn)的兩個PLC之間可以不直接進(jìn)行總線連接，可以借助車間工業(yè)以太網(wǎng)Scalance交換機(jī)進(jìn)行連接，在技術(shù)上提供了極大的便利。

3、s7通信中三種發(fā)送、接收方法的比較

在進(jìn)行s7通信編程中，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)用不同的功能塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，在Libraries子項(xiàng)standard中的communication Blocks內(nèi)可以調(diào)用不同的功能塊進(jìn)行編程。下面對功能塊進(jìn)行簡單的介紹：

在s7-300中FB8和FB9、FB12和FB13成對使用，一端發(fā)送，一端接收。FB14和FB15在單邊使用，其中FB12和FB13 所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最大，可達(dá)65534字節(jié)。綜上所述，傳輸數(shù)據(jù)量大并需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收確認(rèn)時，采用FB12和FB13功能塊；對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較低時，可以采用FB8和FB9功能塊；在一個PLC中進(jìn)行單邊讀寫時，可以采用FB14和FB15功能塊。

4、集成PN口的s7-300 PLC之間的s7通信示例

結(jié)合許昌卷煙廠制絲線改造，詳細(xì)講解s7通信的應(yīng)用實(shí)例。在許昌卷煙廠制絲線HXD前喂料機(jī)和電子秤改造中，我們應(yīng)用了集成PN口的s7-300 PLC之間的s7通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CPU 采用兩個 315-2PN/DP，使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

4.1 硬件連接

由于車間級由Scalance交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，所以我們采用總線物理連接借助Scalance交換機(jī)，節(jié)省總線電纜，連接方便。PLC與最近的Scalance交換機(jī)進(jìn)行總線連接。如果車間級沒有工業(yè)以太網(wǎng)，我們可以將兩臺PLC直接進(jìn)行總線連接。

4.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

硬件平臺建好后，我們需要硬件組態(tài)。在 STEP7 中創(chuàng)建一個新項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱為 PN S7。插入兩個 S7-300 站，在硬件組態(tài)中，分別插入 CPU 315-2 PN/DP。如圖 1所示。

新建以太網(wǎng)，打開“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，選中 CPU，在連接列表中建立新的連接。如圖 2 所示。

然后雙擊該連接，設(shè)置連接屬性。在“General”屬性中塊參數(shù) ID = 1，這個參數(shù)即是下面程序中的參數(shù)“ID”。在 SIMATIC 315PN-1 中激活“Establish an active connection”，作為 Client 端，SIMATIC 315PN-2 作為 Server 端。

4.3 軟件編程

由于此項(xiàng)目中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要參與控制，必須保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以采用FB12和FB13功能塊進(jìn)行確認(rèn)數(shù)據(jù)接收的數(shù)據(jù)傳輸。如果在應(yīng)用中數(shù)據(jù)要求等級不高，可以采用FB8和FB9功能塊進(jìn)行無確認(rèn)數(shù)據(jù)接收的數(shù)據(jù)傳輸，減少通訊傳輸負(fù)載。

SFB/FB 12 "BSEND" 向類型為“BRCV”的遠(yuǎn)程伙伴 SFB/FB 發(fā)送數(shù)據(jù)。通過這種類型的數(shù)據(jù)傳送，更多的數(shù)據(jù)可以在通訊伙伴之間傳輸，超過任何其它用于組態(tài)的S7 連接的通訊SFB/FB 所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

要發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)是分段的。各個分段單獨(dú)發(fā)送給通訊伙伴。通訊伙伴在接收到最后一個分段時對此分段進(jìn)行確認(rèn)，該過程與相應(yīng) SFB/FB "BRCV" 的調(diào)用無關(guān)。在調(diào)用塊之后，當(dāng)在控制輸入 REQ 上有上升沿時，發(fā)送作業(yè)被激活。發(fā)送用戶存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)與處理用戶程序是異步執(zhí)行的。

由 SD_1 指定起始地址和要發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長度?？梢酝ㄟ^ LEN 來確定數(shù)據(jù)域的作業(yè)指定長度。在這種情況下，LEN 替換 SD_1 的長度區(qū)域。參數(shù) R_ID 必須在相應(yīng)的兩個SFB/FB 上完全相同。如果在控制輸入 R 處有上升沿，則當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送將被取消。如果傳送成功完成，則通過將狀態(tài)參數(shù) DONE 的數(shù)值設(shè)置為 1 來進(jìn)行指示。如果狀態(tài)參數(shù) DONE 或ERROR 的數(shù)值為 1，則在前一個發(fā)送處理結(jié)束之前，不能處理新的發(fā)送作業(yè)。

SFB/FB 13 "BRCV" 接收來自類型為“BSEND”的遠(yuǎn)程伙伴 SFB/FB 的數(shù)據(jù)。在收到每個數(shù)據(jù)段后，向伙伴 SFB/FB 發(fā)送一個確認(rèn)幀，同時更新 LEN 參數(shù)。在塊調(diào)用完畢，并且在控制輸入 EN_R 數(shù)值為 1 之后，塊準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^ EN_R=0 來取消一個已激活的作業(yè)。

由 RD_1 指定起始地址和接收區(qū)的最大長度。由 LEN 指示已接收數(shù)據(jù)域的長度。從用戶存儲區(qū)中接收數(shù)據(jù)與處理用戶程序是異步執(zhí)行的。參數(shù) R_ID 必須在相應(yīng)的兩個SFB/FB 上完全相同。通過狀態(tài)參數(shù) NDR 的數(shù)值為 1 來指示所有數(shù)據(jù)段的無錯接收。接收到的數(shù)據(jù)保持不變，直到通過 EN_R=1 來重新調(diào)用 SFB/FB 13 為止。如果在數(shù)據(jù)的異步接收期間調(diào)用塊，則將引發(fā)一個警告，該警告通過 STATUS 參數(shù)輸出；如果當(dāng)控制輸入 EN_R數(shù)值為 0 時進(jìn)行調(diào)用，則接收將被終止，并且 SFB/FB 將返回到它的初始狀態(tài)。

打開 SIMATIC 315PN-1 的 OB1，在 OB1 中依次調(diào)用 FB12，F(xiàn)B13 如圖 3、圖 4 所示：

同樣，在 SIMATIC 315PN-2 的 OB1 中，調(diào)用 FB12/FB13。通信雙方的 R_ID 設(shè)為 0，LEN設(shè)為 10，將 SIMATIC 315PN-1 的 MB120-MB129 賦值 B#16#04，在 SIMATIC 315PN-2中，將 FB13 的“EN_R”置 1，然后在 SIMATIC 315PN-1 中，將 FB12 中“REQ”設(shè)置上升沿信號，此時 SIMATIC 315PN-2 的 MB130-MB139 接收到 B#16#04。如圖 5 所示。

同理，將 SIMATIC 315PN-2 的 MB120-MB129 賦值為 B#16#05，SIMATIC 315PN-1 的MB130-MB139 接收到 B#16#05。如圖 6 所示。

編程完成后，為了防止s7通信連接資源過少而觸發(fā)PLC通訊故障報警，在PLC屬性communication中修改s7通信連接資源為10，經(jīng)過在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無誤。

4.4 效果驗(yàn)證

經(jīng)過編程，建立通訊連接后，我們對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸迅速準(zhǔn)確，總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，經(jīng)過連續(xù)6個月的運(yùn)行，沒有出現(xiàn)錯誤報警。

5、結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，具體分析需要采用的技術(shù)，為實(shí)際工作提供了一種解決實(shí)際問題的思路。通過本廠的實(shí)踐證明，該s7通訊系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好，便于調(diào)試和維護(hù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和借鑒性。

參考文獻(xiàn)

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